绪论
一、生物工程及设备的发展
生物工程是指用生物体或其组成成分在*适条件下产生有益产物及进行有效生产过程的技术。生物工程包括五大工程，即遗传工程（基因工程）、细胞工程、微生物工程（发酵工程）、酶工程（生化工程）和生物反应器工程。
（一）传统生物技术——发酵技术
传统天然发酵技术出现已经有1000多年，甚至可追溯到4000多年以前。过去人们制造白酒、酱油和豆腐乳等时，没有酿造知识，全凭经验制造。发酵是利用微生物的某些生物功能，为人类生产有用的生物产品，或者直接利用微生物参与和控制某些工业生产过程的一种技术。包括细菌、病毒、真菌及一些小型的原生动物、显微藻类等在内的一大类生物群体与人类生活关系密切，涵盖了有益、有害的众多种类，广泛涉及健康、食品、医药、工农业、环保等诸多领域。所谓“靠山吃山，靠水吃水”，在微生物学家的眼中其实就是“靠菌吃菌”。在1500年前的古籍中就有利用匍匐生长的毛霉菌发酵制作豆腐乳的记载。腐乳便宜美味，老少皆宜。
传统天然发酵设备及特点是：手工操作为主，如酿酒手艺代代相传，自然承袭。虽然传统天然发酵风味自然，但一般是小规模、混合菌种发酵和依靠经验进行生产等，产品质量参差不齐，品种少，用途单一。但由于某些发酵产品的特殊性等，传统天然发酵不会完全被工业发酵取代。
（二）纯培养阶段
1675年列文虎克利用显微镜观察到微生物。
19世纪初人类利用酵母进行大规模发酵生产酒精、乳酸、柠檬酸和蛋白酶等初级代谢产物。19世纪中叶法国人酿造葡萄酒时，发现酒总是变酸，便请教当时正在对发酵作用机制进行研究的巴斯德。巴斯德通过研究证明了酵母的酒精发酵，之后科赫建立了纯培养技术。布赫纳随后证明了酒精发酵由一系列酶促反应产生，发酵工业由此进入了纯培养阶段。酒精、甘油、啤酒等产品的纯种厌氧液体发酵获得了空前发展。生物技术由手工作坊进入工业化时代。
纯培养阶段的发酵产品属于初级代谢产物，生产过程简单，生产规模小，对发酵设备要求不高。纯培养阶段设备以机械化为主，纯培养单一菌种发酵，一般有严格的工艺流程和控制参数，产品质量比较稳定；发酵品种多，用途广泛。
（三）好氧发酵阶段
1928年英国的弗莱明发现了青霉素，近代生物工程的起始标志是青霉素的工业开发获得成功：弗莱明、弗洛里和钱恩也因发现和开发了青霉素被授予诺贝尔生理学或医学奖。生产抗生素必须要有严格的无菌操作技术，同时要求从外界通入大量的空气而又不污染杂菌，还要想方设法从大量培养液中提取这种当时产量极低的较纯的青霉素。第二次世界大战的爆发，使美国的科学家在1942年正式实现了青霉素的工业化生产。发酵技术也从昔日以厌氧发酵为主发展为以抗生素和有机酸发酵为主要产品的深层通风发酵为主。
由于青霉素的大规模工业化生产，生物和化工的交叉学科——生化工程诞生。发酵工程在微生物学、生物化学、生化工程三大学科基础上迅速形成一个完整的体系，促进了抗生素工业、酶制剂工业和有机酸工业迅速发展。生物工程设备方面，为提高发酵设备的溶氧能力、降低生产成本，研制出了带有机械搅拌和通气设施的发酵罐。发酵罐步入半自动化、多元化、配套化阶段，长期的生产实践证实，带有机械搅拌的通气培养装置，其搅拌器是影响发酵液中氧传递的重要因素。
（四）代谢控制发酵阶段
1950年，日本建立了代谢控制发酵技术。出现了以谷氨酸、赖氨酸为代表的氨基酸发酵，以及以肌苷酸、鸟苷酸为主的核苷酸发酵技术。实现了对微生物代谢的人工调节，进一步促进了生物技术在工业生产过程的应用。1960年又增加了酶制剂工业。产物抑制和底物抑制理论的出现使发酵工业出现了流加技术和发酵提取耦合技术，同时出现了谷氨酸、赖氨酸生产的流加设备。
代谢控制发酵技术对纯种发酵和无菌操作要求严格，产出的产品种类多为初级代谢产物和次级代谢产物。同时对机械搅拌发酵罐进行改进，研制出了气升式发酵罐，以及多种新型分离介质，如新型树脂材料等。规模大的机械搅拌发酵罐已达500m3，气升式发酵罐达3000m3，设备进入全自动化、智能化阶段。发酵过程是一个高度复杂、具有强烈非线性和时变性特征的过程。传统动力学模型难以准确地把握发酵过程复杂、时变性强烈的动态特性。代谢网络模型虽然可以比较精确地描述发酵过程的内在本质和特征，却由于其过于复杂而无法直接用于发酵过程在线控制和故障诊断，只能间接地对发酵过程优化控制和故障诊断提供帮助。传统动力学模型和技术方法已经无法满足发酵过程控制和故障诊断的需求。因此，将新型的人工智能技术引入发酵过程在线控制和故障诊断领域，研发基于人工智能和代谢调控技术的在线控制和故障诊断系统势在必行。人工智能（arti.cial intelligence，AI）是自1956年达特茅斯会议后，在经济迅速发展的时代大背景下产生的新技术，具有使用范围广、涉及学科广、需要高端技术等特点。AI是计算机科学研究的一个重要领域，致力于设计开发精密的计算机程序和软件，并以此来模拟人脑的信息获取、逻辑推理及归纳总结等智能行为，以便解决一些需要人类智慧才能解决的复杂问题。人工智能领域的方法主要包括人工神经网络、遗传算法、模糊逻辑及支持向量机等。
（五）基因重组技术的成熟——现代生物技术阶段
20世纪70年代以后，基因工程、细胞工程等的开发，使发酵进入了定向育种的阶段。动植物细胞培养技术及其工业化的发展开始兴起，其中以胰岛素、干扰素为代表。为适应动植物细胞培养过程中对氧、温度、剪切力的需要，设备上出现了与之相应的动植物细胞培养反应器。
现代生物技术可生产多种生理活性蛋白，如胰岛素、生长激素和单克隆抗体等。生物技术已广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工食品和能源环境等领域。生物工程设备也得到了发展，如针对大多基因工程菌在细胞内表达产物的设备，研制出了超声细胞破碎和高压匀浆新技术及膨胀床吸附等新方法。生物技术产品的工业化多半要仰赖于发酵工程技术，而基因重组技术的迅猛发展对发酵工程技术及其工程师提出了更高的要求。因此，作为生物化工主体的发酵工程技术及设备就成为大部分生物技术药物工业化生产的关键。
（六）生物工程正在改变人类的生存方式和思考方式
发酵工业已经从过去简单的生产酒精类饮料、生产乙酸和发酵面包发展到今天成为生物工程的一个重要分支。现代发酵工程生产的胰岛素、干扰素、生长激素、抗生素和疫苗等多种医疗保健药物，天然杀虫剂、细菌肥料和微生物除草剂等农用生产资料，氨基酸、香料、生物高分子、酶、维生素和单细胞蛋白等产品已经渗透到人们生活的方方面面。
发酵食品是人类巧妙地利用有益微生物加工制造的食品，发酵使食品中原有的营养成分发生改变并产生*特的风味。在日常生活中，人们摄入的动植物细胞内有些成分是人体难以消化和利用的，而发酵时微生物分泌的酶能裂解细胞壁，提高营养素的利用程度。在发酵过程中微生物还可将肉和奶等动物性食品的原有蛋白质进行分解，使其易于被人体消化和吸收。微生物还能合成B族维生素，特别是维生素B12，其是动物和植物自身都无法合成的维生素。发酵食品脂肪含量较低且消除了抗营养因子，发酵过程要消耗碳水化合物的能量，因此是减肥人士的*选健康食品。微生物新陈代谢时产生的不少代谢产物，多数有调节机体生物功能的作用，能抑制体内有害物的产生。
1．微生物发酵制剂成为保健食品新宠 利用微生物菌体蛋白或代谢产物制作食品，不仅能发挥宿主的正常生理功能，还能利用宿主的免疫防御功能控制菌体蛋白或代谢产物生产过程中的病原体感染。随着微生物种类及发酵机理逐步被阐明，微生物制剂在食品制造中的应用范围日益扩大。
2．发酵对医药行业的贡献 青霉素在第二次世界大战期间救了千万战士的性命。虽然过去了多年，但青霉素依然奋斗在临床一线。青霉素之类的抗生素是20世纪人类*为重要的医药发明。
3．微生物在工业上创造奇迹 胜利油田河口沾三块微生物驱出1.5万t原油，胜利油田采油院微生物中心科研人员在沾三块实施内源微生物驱油先导试验见到明显降水增油效果。采用中高温油藏微生物驱油技术后，对应油井日产油从26.3t升至77.2t，日增油50.9t，综合含水由96.1%降低至90.6%，累计增油达15 444t。
日本研究人员利用大肠杆菌，通过转基因操作和光反应等方法，制作出400℃左右高温下也不会变性的生物塑料，是当前同类塑料中*耐热的。日本科学技术振兴机构等机构联合发表的公报提到，这种塑料是透明的，硬度特别高，用于汽车上代替玻璃，能大幅度减轻汽车重量，从而节约能源、减少二氧化碳排放。
4．微生物推动环保行业 采用新型微生物酶环保技术，将垃圾倒入处理箱后，在8h内进行干燥、脱水、除臭、排毒等技术处理，利用微生物酶有效降解餐厨垃圾中的盐分、脂肪，将动物蛋白、植物蛋白转化为菌体蛋白，变成有机肥料，可用于园林绿化和农作物追肥；分离出来的中水可浇灌绿地、树木。整个处理过程没有污水和臭气排放，也没噪声扰民。
5．微生物为新能源服务
（1）生物电池靠废弃物驱动。利用微生物可将种植物能源、废弃物能源转化为氢能、乙醇等可再生能源，用于生物电池。
（2）阳光驱动的细胞工厂——微藻。微藻被称为阳光驱动的细胞工厂，通过光合作用将二氧化碳吸收，转化为有机物储存起来，有些微藻油脂含量很高，经一定加工可转化为生物柴油；微生物纳米导线的发现推动了电微生物学的发展，大大提升了产能过程中的导电效率。
6．现代微生物工程改变我们的思考方式 过去飞机与真菌怎么也联系不到一起，而科学家利用真菌制成*架可生物降解的“活”无人机，打破了人们的正常思维。真菌无人机倘若意外坠毁，残骸就变成一小洼黏液，不会给某些敏感的环境造成污染。这架原型机的主体部分是由菌丝体的材料制造，这完全改变了人们对传统微生物的认知。
总之，生物工程尤其是微生物发酵工程的开发利用前景无限，只有我们想不到的，没有微生物做不到的。
本教材的编写既有传统发酵的提升，也渗透着现代发酵技术的研究成果，为我国发酵行业的科研工作提供了很好的思路和方法，也希望人们能够利用发酵技术在食品科学、医学、材料、能源等交叉学科方面出现更多逆向思维。
二、生物工程设备研究对象
生物工程设备的研究对象主要是生物工厂中广泛使用的与生产工艺紧密结合的设备。依托于化工原理、机械设计基础、生物学、生物工艺学、高等数学等基础知识，研究各类型设备的工作原理、结构、适用对象、特点及设计计算等方面的内容。
生物工程设备的工作领域：为传统生物技术产业的改造和现代生物技术产业的发展提供高效率的生物反应器、现代分离纯化材料和技术及相关的工程装备，还提供单元化生产设备、工艺过程优化、在线自动控制、系统集成设计等。
三、生物工程设备的特点和要求
（一）生物工程设备的基本特点
表现为：①设备操作条件为常温、常压或低压；②无菌操作，设备应考虑消除卫生死角，保证不被杂菌污染，如正压操作、蒸汽密封、使用专用阀门等；③设备结构应满足工艺要求，如可通风、调节pH、控制温度、补料等；④制作材料应具有耐腐蚀性，生物工程设备大多使用不锈钢或内衬不锈钢材料、耐腐蚀涂料、橡胶等。
生物工程机械设备的特点主要表现为：①种类繁多，型式多种多样，结构繁简不一，自动化程度差异较大；②定型的标准化机械设备少，而未定型的非标准化机械设备较多；③生物制品加工原料的强季节性要求其加工机械设备具有多功能性，即可以一机多用，灵活性和可移动性强，可根据不同产品加工需要进行调整组配形成不同产品的生产线；④生物制品（如药品、保健品）大多为人类的入口产品，要求其加工机械设备在所用材料、结构等方面，卫生状况优良且易于拆卸、清洗、消毒，甚至要求具有自动清洗和消毒系统；⑤生物制品加工水用量较大，许多机械设备要求与水接触，甚至要与腐蚀性液体（如酸、碱、盐）
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